摘 要:介紹了在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì),分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),給出了三個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域中該系統(tǒng)的創(chuàng)新性構(gòu)建方案,并對(duì)該類系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,最后對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn);能源管理;數(shù)據(jù)融合
1 引言
近年來,隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,以及人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求,越來越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn),經(jīng)由無線通信方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段相比,使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì):一是網(wǎng)絡(luò)的自組性提供了廉價(jià)而且快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能;二是現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行(路由)傳送,在不增加功耗和成本的前提下,可將系統(tǒng)性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí);三是網(wǎng)絡(luò)的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應(yīng)用的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù),它在當(dāng)前我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的。
2 系統(tǒng)概述
環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò),基站,最終連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成,傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大,并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi),從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò);臼悄軌蚝虸nternet相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)(或衛(wèi)星通信站),它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心,同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護(hù)人員(或用戶)可以通過任意一臺(tái)連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心,或者向基站發(fā)出命令。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測(cè),溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測(cè)、突發(fā)性環(huán)境事故的預(yù)測(cè)及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測(cè),生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及家庭、辦公室及商場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用。
圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及架構(gòu)
3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)
利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域一般具有以下特點(diǎn):
。1)無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠(yuǎn)距離情況下信息的采集和傳送,保證系統(tǒng)工業(yè)級(jí)品質(zhì)安全可靠。
。2)生物群種對(duì)于外來因素非常敏感,人類直接進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會(huì)破壞環(huán)境的完整性,包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習(xí)性和分布等。
。3)需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對(duì)比較多,但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制。
(4)系統(tǒng)實(shí)施、運(yùn)行費(fèi)用要低,無需鋪設(shè)大量電纜,支持臨時(shí)性安裝,系統(tǒng)易于擴(kuò)展和更新。
。5)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔能力,能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù),并能夠進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)挖掘,數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中非常重要的一個(gè)方面。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
3.2.1 礦井安全監(jiān)控
礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集,主要包括CO、瓦斯、風(fēng)速和氣壓等參數(shù),通過井場(chǎng)監(jiān)控終端(基站)和地面基站傳送給后臺(tái)監(jiān)控中心。后臺(tái)監(jiān)護(hù)人員通過該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)、有效、全面的掌握礦井情況,有利于礦井實(shí)施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測(cè),從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。
圖2 礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)
傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用非常典型。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院(The College of the Atlantic, COA)聯(lián)合開展了一個(gè)名為 “in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目。該研究組在大鴨島(Great Duck Island)上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)上安裝有多種傳感器以監(jiān)測(cè)海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測(cè)海燕地下巢穴的微觀環(huán)境;使用低能耗的被動(dòng)紅外傳感器監(jiān)測(cè)巢穴的使用情況,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框